Специальные стали и сплавы
1
Неметаллические включения в стали.
2 вида неметаллических включений:
Эндогенные – соединения, образовавшиеся в стали в результате химических реакций, протекающих в процессе ее выплавки, раскисления и заливки, и вследствие изменения растворимости примесей в процессе кристаллизации слитка.
Экзогенные - частицы различных соединений, попавшие в
жидкую сталь извне, т.е. из шихтовых материалов, огнеупорной футеровки и т.д.
Неметаллические включения делят на кислородные (оксиды и силикаты),
сульфиды и нитриды.
Кислородные включения :
Простые оксиды: Al2O3 – оксид алюминия (корунд, глинозем); SiO2 – диоксид кремния (кварц, кремнезем); FeO,
Fe2O3 – оксиды железа и т.д.
Сложные оксиды (шпинели): FeO.MnO – оксид железа и
марганца; FeO.Cr2O3 – хромиты; FeO.V2O5 – ванадиты и др.
2
Силикаты и алюмосиликаты (кристаллические): 2FeO.SiO2 –
силикат железа (файялит); 2MnO.SiO2 – силикат марганца
(тефроит) и т.д.
Стекла: не имеют кристаллического строения. Наиболее часто встречаются кварцевое стекло, силикатные стекла с примесью оксидов.
Сульфидные включения образуются при затвердевании стали из-за снижения растворимости серы при понижении температуры.
В сталях в основном содержатся сульфиды железа и марганца FeS и MnS.
Нитриды относят к неметаллическим включениям в том случае, когда они являются продуктом соединения остаточного азота в стали с нитридообразующими элементами, попавшими в сталь случайно.
Если нитридообразующие элементы вводят в сталь специально для придания стали специальных свойств, то их рассматривают как промежуточные соединения.
3
Твердорастворное легирование сталей.
Растворение легирующих элементов в железе может происходить по типу замещения и внедрения.
По растворимости легирующих элементов в железе твердые растворы подразделяются на
непрерывные,
ограниченные с широкой областью гомогенности (в железе растворяется более 2% элемента),
ограниченные с узкой областью гомогенности (в железе
растворяется от 0,2 до 2% элемента),
с незначительной растворимостью.
4
Закономерности образования твердых растворов замещения.
Непрерывные твердые растворы могут образовываться в соответствии с условиями Юм-Розери:
-одинаковый тип решетки;
-близость атомных радиусов («размерный фактор» - разница атомных радиусов не должна превышать 8%);
-близость расположения элементов в периодической системе (сходная электронная структура.
Железо имеет две модификации, и условия образования твердых растворов на базе этих модификаций различаются. Ni, Co и Mn образуют непрерывные твердые растворы на основе -железа,
Cr и V – на основе -железа.
Ограниченные твердые растворы с широкой областью гомогенности образуют эти же элементы с неизоморфными модификациями железа (т.е. с другой решеткой).
W и Mo образуют с обеими модификациями железа ограниченные твердые растворы с широкой5 областью
Закономерности образования твердых растворов внедрения.
Твердые растворы внедрения всегда являются ограниченными.
Их образуют элементы с малыми атомными радиусами: B – 0,091 нм; C – 0,077 нм; N – 0,071 нм; O – 0,063 нм; H – 0,046 нм. Атомы внедрения располагаются в октаэдрических или
тетраэдрических порах, размеры которых составляют для ОЦК решетки: 0,154R и 0,291R соответственно, для ГЦК решетки - 0,41R и 0,22R. (атомный радиус железа с ОЦК решеткой 0,127 нм, ГЦК – 0,123 нм)
Образование твердых растворов внедрения происходит в соответствии с условиями Хэгга:
Размер атома внедрения должен быть больше размера
поры: Rпоры<Rx, иначе не будет прочной связи между атомами
растворителя и атомами внедрения; Выполнение этого условия приводит к значительной деформации решетки, а следовательно к тому, что значительное число пор не будет
заполнено.
6
Rx/RMe<0,59. Это соотношение выполняется для
Свойства легированного феррита.
Легированный феррит – многокомпонентный твердый раствор по типу замещения или внедрения легирующих элементов и примесей в -железе.
Основной вид упрочнения феррита – твердорастворное.
При |
одновременном |
|
|
легированииn |
феррита |
атомами |
||||||||
нескольких |
легирующихi 1 |
K |
элементов |
их |
влияние на |
|||||||||
|
|
|
|
|
т |
|
C |
ф |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
ф |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
i |
|
|
i |
|
|
|
|
||
упрочнение подчиняется правилу аддитивности: |
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
|
где |
- |
Kiф |
коэффициент |
упрочнения |
феррита, |
|||||||||
представляющий собой прирост предела текучести при |
||||||||||||||
растворении |
в нем 1% (по массе) i-того легирующего |
|||||||||||||
|
Элемент |
C+ |
|
|
P |
Si |
|
Ti |
Al Cu |
Mn |
Cr Ni |
M V |
||
|
|
|
N |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
o |
элемента;ф Ciф - концентрация i-того легирующего элемента, |
||||||||||||||
|
Кi , МПа/1% 467 69 85 80 60 40 35 30 30 10 3 |
|||||||||||||
растворенного в ферри0 |
те,0 % (по массе). |
|
|
|
||||||||||
Прочность феррита сильно зависит от диаметра зерна d, что определяется соотношением Холла-Петча:
Т i КУ d 12
Любые факторы, приводящие к упрочнению феррита,
приводят к его охрупчиванию. |
7 |
Свойства легированного аустенита.
Легированный аустенит – многокомпонентный твердый раствор по типу замещения или внедрения легирующих элементов и примесей в γ-железе.
В специальных легированных сталях аустенит может быть основной структурной составляющей, в остальных сталях он является стабильной фазой при температурах выше АС3.
Основными типами упрочнения аустенита являются
твердорастворное и деформационное.
Наибольший вклад в упрочнение легированного аустенита вносят элементы внедрения, особенно N и С, растворимость которых в аустените значительно выше, чем в феррите.
Значительно упрочняют аустенит также -стабилизаторы (W, Mo, V, Si), -стабилизаторы упрочняют аустенит
незначительно.
В аустените эффективно деформационное упрочнение: предел текучести существенно повышается с повышением
плотности дислокаций. |
имеет место, однако |
Структурное упрочнение также |
|
степень структурного упрочнения |
8 |
аустенита существенно |
Карбиды и нитриды в сталях.
Основными упрочняющими фазами в сталях являются карбиды, нитриды и карбонитриды. Они относятся к фазам внедрения и образуются при взаимодействии d-переходных металлов с углеродом или азотом.
Наиболее высокие свойства имеют карбиды и нитриды IV и V групп. Переходные металлы по их сродству к углероду и азоту, прочность и стойкости карбидов и нитридов, их устойчивости к распаду располагаются в следующей
последовательности: Hf, Zr, Ti, Ta, Nb, V, W, Mo, Cr, Mn, Fe. При образовании фаз внедрения ионизации атомов в
карбидах и нитридах не наблюдается, между атомами сохраняется металлический характер связи и эти фазы обладают металлическими свойствами.
Кристаллические решетки карбидов и нитридов отличаются от кристаллических решеток соответствующих металлов.
9
Металлы IV-V групп образуют
монокарбиды, мононитриды типа МеС (МеN) с ГЦК решеткой типа NaCl. Эта решетка представляет собой две ГЦК подрешетки: металлическую и неметаллическую, которые как бы вставлены одна в другую со смещением на половину
Атомы углерода заполняютпараметраоктаэдрические(рис). поры.
Некоторые поры остаются вакантными. Поэтому фазы МеС
не имеют строго стехиометрического состава и формулы в общем виде имеют вид МеСх, где х 1. Такие фазы имеют
область гомогенности. Например: TiC1,0…0,28; ZrC1,0…0,28; VC0,96…
0,75; TiN1,2…0,38; ZrN1,0…0,55
Вакантные места в решетке таких соединений могут быть заняты другими атомами внедрения (в частности кислородом). В этих случаях карбиды и нитриды будут комплексными соединения – карбооксидами, оксинитридами.
10